一種多路DBF 接收機(jī)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研究

莫 驪

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088)

0 引言

數(shù)字波束形成(DBF）是天線波束形成原理與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于陣列信號(hào)處理領(lǐng)域。DBF 體制對(duì)接收機(jī)的設(shè)計(jì)提出了非常高的要求，波束形成前采用了多達(dá)幾十路接收機(jī)，要求多路接收機(jī)具有良好的幅相穩(wěn)定性和一致性，解決其測(cè)試性是設(shè)計(jì)DBF 接收機(jī)設(shè)計(jì)不容忽視的技術(shù)關(guān)鍵。

1 DBF 接收機(jī)的指標(biāo)

DBF 接收機(jī)的測(cè)試指標(biāo)繁多，并且有的指標(biāo)涉及到多通道間的相對(duì)測(cè)試。

1.1 噪聲系數(shù)

噪聲系數(shù)指的是接收機(jī)輸入端信號(hào)噪聲比與輸出端信號(hào)噪聲比的比值，其好壞影響到接收機(jī)的靈敏度，通常用噪聲測(cè)試儀測(cè)試。

1.2 動(dòng)態(tài)范圍

接收機(jī)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍定義為接收機(jī)臨界靈敏度輸入信號(hào)功率與使接收機(jī)增益產(chǎn)生1dB 壓縮時(shí)的輸入信號(hào)功率之比。

1.3 鏡像抑制

存在鏡像頻率是超外差式接收機(jī)特有的現(xiàn)象。鏡像抑制指的是接收機(jī)的輸入端分別輸入信號(hào)頻率和鏡像頻率時(shí)輸出功率之比，反映了接收機(jī)的抗干擾能力。

1.4 通道間隔離度

多路接收機(jī)之間的隔離度是影響波束形成精度的重要指標(biāo)，指的是多路接收機(jī)組成系統(tǒng)后當(dāng)一路接收機(jī)加上輸入信號(hào)時(shí)該接收機(jī)輸出功率同其他路接收機(jī)因泄露產(chǎn)生的輸出功率比值。

1.5 接收機(jī)帶內(nèi)增益起伏和接收機(jī)之間增益起伏

帶內(nèi)增益起伏是指接收機(jī)工作頻段內(nèi)增益的變化，接收機(jī)之間增益起伏是指多路接收機(jī)之間在同一工作頻率點(diǎn)增益的起伏。

1.6 接收機(jī)幅度、相位穩(wěn)定性

接收機(jī)的幅相穩(wěn)定性是指在一個(gè)環(huán)境溫度條件下接收機(jī)之間的幅度、相位隨時(shí)間變化情況。對(duì)于DBF體制的雷達(dá)來(lái)說(shuō)，多通道接收機(jī)的幅相穩(wěn)定性和一致性是至關(guān)重要的，其好壞不但影響數(shù)字波束形成的副瓣電平，而且影響波束指向精度。

通常接收機(jī)的射頻工作帶寬為幾百兆，頻率間隔僅幾兆赫茲，工作帶寬內(nèi)多達(dá)幾十個(gè)測(cè)試點(diǎn)。如果用傳統(tǒng)的測(cè)試方式，射頻激勵(lì)、本振激勵(lì)和中頻響應(yīng)三方都需人工依次操作來(lái)完成測(cè)量設(shè)置，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，工作效率低，不能滿足多通道DBF 接收機(jī)的研制要求?；谶@種情況，開(kāi)發(fā)研制了一套DBF 接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的硬件組成

DBF 接收機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以完成以上所有指標(biāo)的自動(dòng)測(cè)試，并且將測(cè)試結(jié)果以Excel 表格的形式儲(chǔ)存在電腦中。其主要硬件組成如下:

(1）一臺(tái)噪聲測(cè)試儀:用于測(cè)試噪聲系數(shù);

(2）一臺(tái)矢網(wǎng):用于測(cè)試除噪聲系數(shù)以外的其他指標(biāo);

(3）兩臺(tái)信號(hào)源:分別產(chǎn)生DBF 接收機(jī)所需的一本振和二本振信號(hào);

(4）一臺(tái)計(jì)算機(jī):作為主控計(jì)算機(jī)，給自動(dòng)測(cè)試適配網(wǎng)絡(luò)發(fā)出開(kāi)關(guān)指令以及控制自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)完成所有測(cè)試;

(5）一臺(tái)自動(dòng)測(cè)試適配網(wǎng)絡(luò)。

自動(dòng)連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)連接關(guān)系

2.1 自動(dòng)測(cè)試適配網(wǎng)絡(luò)

自動(dòng)測(cè)試適配網(wǎng)絡(luò)是為解決多通道DBF 接收機(jī)的測(cè)試而專門(mén)研發(fā)的一款測(cè)試設(shè)備，一次可以同時(shí)測(cè)七個(gè)接收機(jī)的指標(biāo)，另外有一路接收機(jī)為這七路接收機(jī)測(cè)試相位提供參考。儀表的射頻激勵(lì)通過(guò)一個(gè)一分二功分器分別送給適配網(wǎng)絡(luò)的回波端口和回波參考端口:回波參考送給參考接收機(jī)的射頻端，回波端口通過(guò)一個(gè)射頻單刀8 擲開(kāi)關(guān)分別送給被測(cè)接收機(jī)的射頻端。一本振和二本振信號(hào)由信號(hào)源產(chǎn)生，通過(guò)兩個(gè)功分網(wǎng)絡(luò)分別送給所有接收機(jī)的本振端口。被測(cè)接收機(jī)的中頻輸出通過(guò)一個(gè)中頻單刀8 擲開(kāi)關(guān)送到矢網(wǎng)的Port2 端口，參考接收機(jī)的中頻輸出送到矢網(wǎng)的Port3端口。射頻和中頻開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)由主控計(jì)算機(jī)送出。

2.2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、噪聲測(cè)試儀和信號(hào)源

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是測(cè)試儀表，可以測(cè)試除噪聲系數(shù)以外的所有指標(biāo)。選用安立公司的MS4623B，是一臺(tái)具有全面測(cè)量功能的矢網(wǎng)，主要用于微電子器件或組件的S 參數(shù)準(zhǔn)確測(cè)量，在6 GHz 以下通信產(chǎn)品研制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它所具備的多源模式和內(nèi)置三端口，使變頻器件的測(cè)試便捷、高效，很適合于測(cè)試DBF 接收機(jī)。

信號(hào)源提供DBF 接收機(jī)工作所需的一本振和二本振。矢網(wǎng)和信號(hào)源之間的連接關(guān)系如下:

(1）將信號(hào)源的10 MHz 參考輸出連接至矢網(wǎng)的參考輸入;

(2）將信號(hào)源的IEEE488.2 接口連接至矢網(wǎng)的第二IEEE488.2 接口;

(3）將矢網(wǎng)Port 1 作為射頻激勵(lì)信號(hào)輸出端，連接至被測(cè)變頻器件的RF 輸入端;

(4）將矢網(wǎng)Port 2 作為被測(cè)接收機(jī)的中頻響應(yīng)輸入端，連接至被測(cè)變頻器件的IF 輸出端。

(5）將矢網(wǎng)Port 3 作為參考接收機(jī)的中頻響應(yīng)輸入端，連接至被測(cè)變頻器件的IF 輸出端。

(6）將第一信號(hào)源作為一本振輸出端，連接至被測(cè)接收機(jī)的LO1 輸入端;

(7）將第二信號(hào)源作為二本振輸出端，連接至被測(cè)接收機(jī)的LO2 輸入端;

在這里，需要用到該矢網(wǎng)的多源模式。多源模式是一項(xiàng)強(qiáng)大的功能，它提供對(duì)內(nèi)部信號(hào)源、外部信號(hào)源和接收機(jī)的頻率掃描進(jìn)行任意控制。矢網(wǎng)的多源模式設(shè)置界面如圖2所示。

圖2 矢網(wǎng)多源模式設(shè)置界面

依次按鍵CONFIG/MULTIPLE SOURCE/DEFINE BANDS 進(jìn)入如圖2所示的多源模式定義界面，將系統(tǒng)多源模式定義如下，定義好后打開(kāi)多源模式。

Define Band 1:2.3～2.5 GHz

Source1=(1/1）*(f+0.000000 MHz）

Source2=(1/1）*(f+0.000000 MHz）

Source3=(1/1）*(f+430.000000 MHz）

Source4=(1/1）*(440.000000 MHzC.W.）

Receiver=(1/1）*(10.000000 MHz C.W.）

其中，Source3和Source4分別通過(guò)設(shè)置不同GPIB 地址來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩臺(tái)外接信號(hào)源的控制。通過(guò)儀表的10 MHz 參考輸出和IEEE488.2 接口之間的連接，使外接信號(hào)源的輸出頻率與矢網(wǎng)的射頻激勵(lì)輸出頻率同步掃描，完成對(duì)接收機(jī)的測(cè)試。

噪聲測(cè)試儀的連接方式與矢網(wǎng)類似，用于測(cè)試DBF 接收機(jī)的噪聲系數(shù)。

2.3 主控計(jì)算機(jī)

主控計(jì)算機(jī)是本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的指揮中心，通過(guò)它發(fā)出各種指令，對(duì)儀表、接口卡、開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行程控才能完成所有指標(biāo)的測(cè)試，并且完成測(cè)試數(shù)據(jù)的處理和儲(chǔ)存。

3 DBF 接收機(jī)測(cè)試

如圖3所示，連接好自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)DBF 接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試，每組可同時(shí)測(cè)7個(gè)接收機(jī)。每路接收機(jī)的測(cè)試圖顯示在矢網(wǎng)或噪聲系數(shù)測(cè)試儀上。測(cè)試結(jié)果由軟件控制自動(dòng)以Excel 表格形式存儲(chǔ)到主控計(jì)算機(jī)中。

圖3 接收機(jī)測(cè)試結(jié)果顯示

測(cè)試增益起伏、幅度相位、鏡像抑制、隔離度等指標(biāo)時(shí)，均使用矢網(wǎng)的頻率掃描模式，可以直觀地看出在工作頻段內(nèi)接收機(jī)的輸出幅度和相位信息。而動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試則使用矢網(wǎng)的功率掃描模式，固定某一工作頻點(diǎn)，設(shè)定矢網(wǎng)輸出功率在一個(gè)范圍內(nèi)變化。矢網(wǎng)的顯示界面顯示的是接收機(jī)的輸出功率隨著輸入功率變化而變化的結(jié)果。從測(cè)試圖中可以觀察出，當(dāng)輸入功率較低時(shí)，輸出功率還是線性變化的;隨著輸入功率的增加，輸出功率增加值越來(lái)越小，當(dāng)輸出功率的增加值比輸入功率增加值低1 dB時(shí)，即可測(cè)出1 dB 壓縮點(diǎn)，此時(shí)接收機(jī)的輸入功率與靈敏度之差即為動(dòng)態(tài)范圍。

測(cè)試結(jié)果以Excel 表格形式存儲(chǔ)后，可以轉(zhuǎn)化為圖形直觀地看出各項(xiàng)指標(biāo)范圍。圖4 是DBF 接收機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)圖形顯示。從測(cè)試數(shù)據(jù)看出，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在相同的硬件設(shè)置下可以很方便地測(cè)量DBF 接收機(jī)的諸多性能參數(shù)，解決了多通道DBF 接收機(jī)測(cè)試的問(wèn)題。

圖4 多路DBF 接收機(jī)測(cè)試圖形

4 結(jié)束語(yǔ)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)、測(cè)試儀表、控制接口、適配網(wǎng)絡(luò)等配合下可以完成多路DBF 接收機(jī)的幅相穩(wěn)定性和一致性、隔離度及接收機(jī)增益和噪聲系數(shù)等技術(shù)參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試，目前已廣泛應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)DBF接收機(jī)的測(cè)試中，省時(shí)省力，測(cè)試精度高，取得了良好的效果，值得推廣。

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